دانلود تحقیق انتقال حرارت به سیالات

مقدمه
انتقال حرارت به سیالات با خواص متغیر موضوعی است که از بیش از نیم قرن پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است.

خواص ترمودینامیکی و انتقالی در سیالات معمولا تابعی از دما و فشار سیال است.

این خواص در دماها و فشارهای معمولی تقریبا ثابت است.

یکی از پیچیده ترین وکلی ترین سیال با خواص متغیر و تابع شدید دما و فشار سیال فوق بحرانی می باشد.

این سیال بدلیل تغییر بسیار زیاد خواص آن بخصوص در نقطه بحرانی بسیار مورد توجه است و همواره به عنوان یک سیال خواص متغیر کامل مورد استفاده قرار می گیرد.

در اینجا نیز با توجه به ویژگی های این سیال که در ادامه شرح داده خواهد شد و همچنین به عنوان پیچیدهترین نوع سیال خواص متغیر که میتوان انواع دیگر از سیالات با خواص متغیر را حالت خاصی از این سیال دانست از این سیال به عنوان سیال پایه وخواص متغیر استفاده میشود.

1-1-سیال فوق بحرانی

وقتی صحبت از سیال فوق بحرانی میشود منظور سیال در فشار بالای نقطه بحرانی و دمای نزدیک نقطه بحرانی یا نقطه شبه بحرانی Tpc میباشد.(شکل 1-1 )
نقاط شبه بحرانی به نقاطی اطلاق میشود که ظرفیت کرمایی ویژه در فشار ثابت ماکزیمم است.

شکل (11): نمودار درجه حرارت حجم برای آب خالص

در واقع در هر فشار فوق بحرانی یک نقطه شبه بحرانی( دمای شبه بحرانی) وجود دارد که در آن تغییرات خواص سیال حداکثر است.( ظرفیت گرمای ویژه ماکزیمم است).

شکل (12): نمودار فشار درجه حرارت برای آب خالص (دیاگرام فاز)

همانطور که در شکل (1-2) دیده میشود ناحیه فوق بحرانی به دو قسمت ناحیه شبه مایع و ناحیه شبه بخار تقسیم میشود .

در فشار ثابت زمانی که دما بزرگتر از دمای شبه بحرانی است ناحیه شبه بخار و در زمانی که کوچکتر از دمای شبه بحرانی است ناحیه شبه مایع نامیده میشود .

دلیل این اسم گذاری آن است که در واقع در فشارهای فوق بحرانی سیال را نه میتوان مایع فرض کرد ونه بخار وتنها هالهای است که فقط میتوان به آن سیال گفت .

واین تقسیمبندی فقط جهت تطابق با حالت فشارها و دماهای عادی (زیر نقطه بحرانی) است وگرنه در فشارهای فوق بحرانی تغییر فاز وجود ندارد و فقط خواص سیال من جمله چگالی در قبل و بعد از نقطه شبه بحرانی تغییر میکند .

همچنین میتوان اینطور عنوان کرد که بدلیل اینکه در ناحیه دمای بزرگتر از دمای شبه بحرانی چگالی کوچکتر از ناحیه دمای کوچکتر از دمای شبه بحرانی است ، ناحیه چگالی کوچکتر را شبه بخار ودیگری را شبه مایع مینامند .

1-2-کاربردهای سیالات فوق بحرانی
در دهه های اخیر استفاده از سیال فوق بحرانی در صنعت رو به فزونی است .

برای افزایش بازده نیروگاهها در سالهای اخیر استفاده از آب فوق بحرانی SCW ، مورد توجه قرار گرفته است .

سیالات فوق بحرانی بعنوان مبرد (خنک کننده ) برای ماشینهای الکتریکی وهمچنین بعنوان مبرد برای راکتورهای هستهای مورد استفاده قرار میگیرند .

در فرایندهای شیمیایی بسیار زیادی مانند ، تغییر فرم ذره ، استخراج و کارخانههای کف (شوینده) از سیالات فوق بحرانی مانند CO2 وهیدروکربنها استفاده میکنند .

در یکی دیگر از کاربردهای سیالات فوق بحرانی از اکسیداسیون آب فوق بحرانی ، scwo ، استفاده میشود .

مواد آلی مسموم بهمراه اکسیژن داخل آب فوق بحرانی مخلوط میشوند که نتیجه محصولات احتراق بی ضرر میباشد .

در این روش آب خاصیت جالب توجهی از خود نشان میدهد.

آب که در حالت معمول حلال مواد معدنی ونمکها است وقابلیت حل کردن مواد آلی را ندارد ، در حالت فوق بحرانی تغییر کرده و بر عکس میشود یعنی مواد آلی را به خوبی در خود حل میکند در حالی که دیگر حلال خوبی برای نمکهای معدنی نمیباشد .

محصولات معمول از این فرایند شامل CO2 ، آب و نمکها یا اسیدهای غیرآلی میشوند .

مزایای روش scwo عبارتند از :
1.

تخریب سریع وکامل کربنهای آلی ، حتی با وجود دیاکسید
2.

عدم تولید NOx ، SOx ، دیاکسید ودوده
3.

محصولات تولیدی آب ، دیاکسید کربن و گاز نیتروژن است .

4.

بازیافت انرژی قابل حصول است .

شکل (1-3): کثافات فاضلاب
(سمت چپ:پیش از اعمال،سمت راست:پس از اعمال)

روش scwo در موارد ذیل قابل اعمال است :
آبهای آلوده آلی شامل ؛ آبهای پسرفتی کارخانههای شیمیایی ، آبهای پسرفتی صنایع غذایی
کثافات آلی شامل ؛ کثافات فاضلاب شهرداری ، کثافات کارخانههای شیمیایی
در بیشتر این کاربردها ، انتقال حرارت به فرایند سیال در فشارهای فوق بحرانی ودر دماهای زیر نقطه بحرانی و فوق بحرانی وجود دارد .

1-3-شمای کلی انتقال حرارت 1-3-1-خواص فیزیکی حرارتی انتقال حرارت در فشار فوق بحرانی بشدت نشات گرفته از خواص فیزیکی حرارتی است که بشدت تغییر می‌کنند (بخصوص در نزدیکی خط شبه بحرانی).

شکل (1-4 ) نماینگر رابطه بین ظرفیت گرمایی ویژه Cp وفشار ودما می‌باشد .

شکل (1ـ4): ظرفیت گرمایی آب همانطور که دیده می‌شود در هر فشار یک ظرفیت گرمایی ویژه ماکزیمم محلی وجود دارد.

در ناحیه فشار زیر بحرانی حداکثر مقدار ظرفیت گرمایی ویژه بر روی خط اشباع قرار می‌گیرد .

در نقطه بحرانی ( C 374 =T و MPa1/22=P ) ظرفیت گرمایی ویژه بیشترین مقدار خود را دارد .

در فشارهای فوق بحرانی ، مکان هندسی نقاطی که مقدار ماکزیمم ظرفیتهای گرمایی ویژه را به هم وصل می‌کند خط شبه بحرانی ، PCL ، نامیده می‌شود که در شکل(1-5) نشان داده شده است .

در فشار MPa25 دمای نقطه شبه بحرانی C384 است .

ظرفیت گرمایی ویژه در نقطه بحرانی kJ/kg K5600 (شکل(1- 6)) است که 1000 برابر بزرگتر از این مقدار در دمای معمولی است .

اشکال (1- 7 ) تا (1-10) نمایانگر تغییرات خواص فیزیکی حرارتی در برابر دما در فشارهای مختلف می‌باشد .

شکل(1ـ6): گرمای ویژه در PCL شکل (1ـ5): خط شبه بحرانی PCL در یک دیاگرام P-T شکل (1ـ8): هدایت گرمایی آب فوق بحرانی شکل (1ـ7): چگالی آب فوق بحرانی شکل (1ـ10): عدد پرانتل آب فوق بحرانی شکل (1ـ9): ویسکوزیته آب فوق بحرانی در نزدیک خط شبه بحرانی (PCL ) ، چگالی بشدت کاهش می‌یابد .

در این ناحیه ضریب انبساط حرارتی دارای پیک بزرگی است که رفتاری شبیه ظرفیت گرمایی ویژه از خود نشان می‌دهد .ضریب هدایت حرارتی با افزایش دما کاهش می‌یابد ، هر چند در نزدیکی نقطه شبه بحرانی یک ماکزیمم محلی وجود دارد .

ضریب هدایت حرارتی پس از دمای شبه بحرانی با شیب تندی کاهش می‌یابد .

ویسکوزیته دینامیکی نیز رفتار مشابهی از خود نشان می‌دهد .

در نقطه شبه بحرانی برای عدد پرانتل بدلیل افزایش ظرفیت گرمایی ویژه با شیب تند ، پیک بزرگی اتفاق می‌افتد .

1-3-2-انتقال حرارت در فشارهای فوق بحرانی همانطور که در بخش قبل گفته شد ، در نزدیکی خط شبه بحرانی تغییرات بسیاری در خواص فیزیکی حرارتی اتفاق می‌‌افتد .

این قضیه می‌تواند باعث تغییرات بسیار شدید در ضریب انتقال حرارت گردد .

با محاسبه معادله دیتوس-بولتر (1ـ2) شکل (1ـ11): ضریب انتقال حرارت با توجه به معادله دیتوس ـ بولتر برای جریان آب ، در حالت آشفتگی در یک لوله مدور ، واستفاده از دمای حجمی جهت محاسبه خواص در آن حالت ، ضریب انتقال حرارت بدست می‌آید .

در شکل (1-11) ضریب انتقال حرارت بر حسب دمای حجمی در شار جرمی Mg/m2s1/1 ، فشار MPa25 ،شار حرارتی MW/m28/0 و قطر لوله mm4 نشان داده شده است.

همانطور که دیده می‌شود در نقطه شبه بحرانی ( ˚ C384 =T ) معادله دیتوس-بولتر ضریب انتقال حرارت را برابر kW/m2K40 می‌دهد که تقریباً بیش از دو برابر مقدار آن در دماهای پایین (برای مثال ˚C300) و پنج برابر مقدار آن در دماهای بالاتر (برای مثال ˚C500) است .

این قضیه به وضوح نشان می‌دهد که بدلیل تغییرات در خواص فیزیکی حرارتی ، ضریب انتقال حرارت در نزدیکی خط شبه بحرانی به شدت تغییر می‌کند .

هر چه فشار به فشار نقطه بحرانی نزدیکتر باشد ، پیک ضریب انتقال حرارت بلندتر می‌شود .

همچنین در این اشکال دیده می‌شود که ضریب انتقال حرارت که توسط معادله دیتوس-بولتر بدست می‌آید از مقدار واقعی آن ، بخصوص نزدیک خط شبه بحرانی ، انحراف دارد .

در شارهای حرارتی کوچک ، ضریب انتقال حرارت از مقداری که بوسیله معادله دیتوس-بولتر تخمین زده می‌شود بزرگتر است .

این پدیده افزایش انتقال حرارت نامیده می‌شود .

در شارهای حرارتی بزرگ، ضریب انتقال حرارت از مقداری که توسط معادله دیتوس-بولتر بدست می‌آید کوچکتر است .

شکل(1-12) نسبت ضریب انتقال حرارت a را به مقدار محاسبه شده توسط معادله دیتوس-بولتر a0 را نشان می‌دهد .

همانطور که دیده می‌شود تحت شرایطی خاص این نسبت بسیار کوچک می‌شود .

شکل (1ـ12): نسبت ضریب انتقال حرارت به مقدار محاسبه شده با معادله (1ـ1) a0 1-3-3-اخلال در انتقال حرارت انتقال حرارت در یک لوله را در نظر بگیرید .

در شکل(1-13) دمای دیواره لوله بر حسب دمای حجمی سیال رسم شده است .

منحنی ها به ترتیب نمایانگر هر دو حالت شار حرارتی کوچک و شار حرارتی بزرگ هستند .

در شار حرارتی کوچک دمای دیواره رفتار ملایم و یکنواختی را نشان می‌دهد و با افزایش دمای حجمی افزایش می‌یابد .

در این حالت اختلاف بین دمای دیواره و دمای حجمی کوچک باقی می‌ماند .

در یک شار حرارتی بزرگ نیز رفتار مشابهی ، به جز در زمانی که دمای حجمی به مقدار شبه بحرانی نزدیک می‌شود ، از دمای دیواره مشاهده می‌شود .در این حالت افزایشی با شیب تند در دمای دیواره اتفاق می‌افتد .

وقتی دمای حجمی از دمای شبه بحرانی می‌گذرد ، دمای دیواره دوباره کاهش می‌یابد .

این افزایش بسیار زیاد در دمای دیواره مربوط به پدیده “ اخلال در انتقال حرارت” می‌شود .

هنوز در مقالات مختلف تعریف واحدی برای شروع اخلال ر انتقال حرارت وجود ندارد.

تعدادی از مقالات بحران جوشش را به عنوان دلیل این پدیده می‌دانند .

این در حالی است که کاهش ضریب انتقال حرارت ، یا افزایش دمای دیواره در مقایسه با رفتار بحران جوشش ، که در آن دمای دیواره با شیب تندی افزایش می‌یابد ، رفتاری ملایمتر ویکنواخت‌تراز خود نشان می‌دهد.

شکل (1ـ13): رفتار دمای دیواره در شارهای حرارتی مختلف اخلال در شارهای حرارتی بزرگ نسبت به شار جرمی، G/ًq، ایجاد می‌شود.

این اخلال ناشی از دو مقوله جدا از هم می‌باشد.

یکی بدلیل تغییر ساختار آشفتگی مرتبط با گرانش(g) در نزدیکی دیواره و دیگری بدلیل اثر دمپینگ آشفتگی ناشی از شتاب حرارتی می‌باشد.

اولی را اثر شناوری و دومی را اثر شتاب حرارتی می‌نامند.

الف ـ اثر شناوری در جریانهای سیالات با خواص ثابت، وجه غالب در انتقال گرما، جابجایی اجباری می‌باشد.

جریانهای سیالات با خواص متغیر (شرایط فوق بحرانی) اتقال حرارت بصورت ترکیبی از جابجایی آزاد و اجباری خواهدبود.

جابجای آزاد، در واقع ناشی از تأثیر نیروهای شناوری است.

در مورد لوله‌های قائم، شناوری موجب می‌شود که بین ضرایب انتقال حرارت بدست آمده برای جریان بالارو و پایین‌رو اختلاف اساسی ایجاد شود.

انتقال حرارت در جریان پایین‌رو افزایش می‌یابد در حالیکه درجران‌های بالارو انتقال حرارت دچار اخلال و زوال می‌گردد.

در لوله‌های افقی در شرایطی که قطر لوله نسبتاً بزرگ، شار جرمی کم و شار حرارتی زیاد باشد اثرات شناوری نمود می‌کند.

در این لوله‌ها اثرات شناوری باعث تغییرات محیطی در ضرایب انتقال حرارت می‌شود، بطوریکه مقادیر ضریب انتقال حرارت در قسمتهای فوقانی لوله کمتر از مقادیر مربوطه در قسمتهای تحتانی لوله می‌شود.

اختلال ایجاد شده در انتقال حرارت در قسمت فوقانی لوله‌های افقی را می‌توان به لایه‌بندی و طبقه‌بندی در جریان نسبت داد.

در واقع در لوله‌ها افقی در حالتی که شار جرمی کم، شار حرارتی زیاد و دمای دیواره از دمای شبه بحرانی بیشتر شده باشد، سیال در نزدیکی دیواره به حالت شبه گاز و در قسمت مرکزی لوله به حالت شبه مایع در می آید .در این حالت دمای لایه های نزدیک دیواره به دمای شبه بحرانی رسیده و باعث تغییرات بسیار زیاد در خواص سیال می‌شود.

یکی از این تغییرات کاهش چشمگیر چگالی می‌باشد.

لذا به همین دلیل بخش شبه مایع سیال که چگالی بیشتر دارد جای خود را با بخش شبه گاز در دیواره پایینی لوله که چگالی کمتری دارد عوض می‌کند.

بدین ترتب در نزدیک دیواره پایینی لوله، سیال شبه مایع و در نزدیک دیواره فوقانی لوله سیال شبه گاز قرار می‌گیرد.

از آنجا که ضریب هدایت حرارتی بخش شبه مایع بزرگتر است، پس فرایند انتقال حرارت در قسمت تحتانی لوله نسبت به قسمت فوقانی لوله بهتر انجام می‌گیرد.

ب ـ اثر شتاب حرارتی همانطور که قبلاً نیز ذکر شد مکانیزمی که بوسیله آن انتقال حرارت در شار حرارتی بالا خراب می‌شود کاملاً شناخته شده نیست.

کاهش آشفتگی منتج از اصلاح تنش برشی لایه دیواره بوسیله شتابی که ناشی از حرارت است به نظر یک فاکتور مهم به نظر می‌رسد.

این عامل بیشتر در لوله‌های با سطح مقطع کوچک اهمیت دارد، چرا که در لوله‌های با قطر بزرگ اثر شناوری بیشتر است و بر این اثر غلبه می‌کند.

نمود این اثر مستقل از عمودی یا افقی بودن لوله است.

شرایطی که تحت آن، تأثیرات شتاب حرارتی ممکن است مهم جلوه دهد را می‌توان با ملاحظات ذیل ایجاد کرد.

نخست، گرادیان فشار اضافی را که نیاز است تا مسبب شتاب گردد را می‌توان با عبارت تقریبی ذیل نشان داد: (1-2) در نزدیکی دیواره، جایی که ترمهای اینرسی در جهت x در معادله حرکت کوچک می‌شوند، این گرادیان فشار شتاب باید با یک گرادیان تنش برشی اضافی بالانس شود .

ثانیاً، با ارتباط حرارت ورودی به تغییرات آنتالپی و همچنین در نظر گرفتن معادله پیوستگی می‌توان نشان داد که: (1-3) و بدین ترتیب گرادیان اضافی تنش برشی نزدیک دیواره، بدلیل شتاب، به صورت زیر بدست می‌آید: (1-4) با قرار دادن 20=+y به عنوان معیاری برای شروع تأثیرات مهم شتاب و کاهش 5 درصدی تنش برشی در این مکان و همچنین با داشتن اینکه تنش برشی باید این کاهش را ایجاد کند خواهیم داشت: (1-5) و با تساوی قرار دادن عبارت فوق با داریم: (1-6) در معادله فوق با جایگزینی با ضریب اصطکاک تجربی (رابطه عدد رینولدز ) شرط ذیل جهت اهمیت یافتن تأثیر شتاب بدست می‌آید: (1-7) البته اعتبار رابطه فوق هنوز در عمل اثبات نشده است.

ـ بدلیل اینکه موضوع اصلی این پروژه همین اثر است در ادامه به تفصیل در این باره بحث خواهیم کرد.

فصل دوم مروری بر مطالعات گذشته همانطور که گفته شد در ناحیه فوق بحرانی ، اخلال انتقال حرارت در شار حرارتی بالا و شار جرمی کوچک به دلیل دو اثر شناوری و شتاب حرارتی اتفاق می افتد .

در این فصل سعی می شود به بررسی تحقیقات و مطالعات گذشته پیرامون انتقال حرارت در ناحیه فوق بحرانی و پدیده اخلال انتقال حرارت بخصوص اثر شتاب حرارتی که موضوع بحث ماست بپردازیم‌.

مطالعات برروی انتقال حرارت به سیالات فوق بحرانی از دهه 1950 میلادی شروع شد .

بیشتر سیالات مورد استفاده در این مطالعات آب ، دی اکسید کربن و گازهای نجیب مانند هیدروژن و هلیم می باشند .

مقالاتی که در اینجا مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند را می توان به چهار دسته موضوعی زیر تقسیم کرد : -مقالات بازبینی مطالعات تجربی و آزمایشگاهی تحلیل های عددی روابط تجربی 2-1- مقالات بازبینی در این مقالات در واقع یکسری جمع آوری اطلاعات از مقالات منتشر شده تا آن لحظه انجام می شود و سپس از مجموع آن اطلاعات نتایجی گرفته می شود و گاهاً پیشنهادهایی نیز می شود .

جدول (2-1) پنج مقاله بازبینی که در اینجا مورد بحث قرار می گیرند را نشان می دهد .

دانشمندان روسی فعالیت های زیادی درباره انتقال حرارت به سیال فوق بحرانی انجام دادند.

موضوع اصلی مقاله پتوخوف (1970) ] [ انتقال حرارت و کاهش فشار بدلیل اصطکاک است .

تعدادی فعالیتهای آزمایشگاهی روابط تجربی نیز توسط دانشمندان روسی انجام شده است که در اکثر آنها از آب و دی اکسید کربن به عنوان سیال استفاده کرده اند .

مقاله پولیاکوف ] [ در واقع باافزودن تعدادی از پیشرفتها و نتایج جدید بدست آمده در دهه های 70 و 80 میلادی کارپتوخوف را گسترش داد .

در این مقاله علاوه بر فعالیتهای آزمایشگاهی و روابط تجربی ، آنالیز عددی نیز آمده است .

همچنین مکانیزم انتقال حرارت و همچنین لحظه شروع اخلال انتقال حرارت در این مقاله مورد بحث و بررسی قرار گرفته است .

درمقاله نسبتاً جدید کیریلوف (2000 میلادی ) ] [ ، بازبینی نسبتاً مختصری روی انتقال جرم و انتقال حرارت آب فوق بحرانی انجام شده است .

یک رابطه جدید نیز در این مقاله مورد بحث و بررسی قرار گرفته است که بویسله دانشمندان دیگر روسی گسترش یافت.

در اروپا تحقیقات جامی در دانشگاه منچستر انجام شد .

در مقاله جکسون و همکارانش [] نتایج اصلی مطالعات تجربی ، آنالیزهای تئوری و تعدادی داده‌های آزمایشگاهی خلاصه شده است .

این مقاله که در بین مقالات مختلف بازبینی در زمینه انتقال حرارت به سیال فوق بحرانی معروفترین مقاله می‌باشد‌، اطلاعات مهم و مفیدی را برای درک بهتر پدیده انتقال حرارت در فشارهای فوق بحرانی به خوانندگان خود می دهد .

در این مقاله روابط مختلف قابل دسترس با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده است .

همچنین پیشنهاداتی جهت طراحی وسایل و دستگاههایی که با فشار فوق بحرانی کار می کنند داده شده است .

بعلاوه ، در این مقاله بر اساس یک تحلیل مکانیکی ، رابطه ای نیمه تجربی جهت اندازه گیری تأثیر شناوری و شتاب بر انتقال حرارت به سیال با فشار فوق بحرانی پیشنهاد شده است .

تعداد زیادی مقالات بازبینی وجود دارند که از گازهای نجیب به عنوان سیال عامل استفاده کرده اند [] .

در جدول (2-1) تنها یکی از آنها را به عنوان نمونه نام برده ایم .

زیرا انتقال حرارت به گازهای نجیب فوق بحرانی در بحث فعلی این پروژه نمی گنجد و کلاً بحث مجزایی می باشد .

2-2- مطالعات تجربی و آزمایشگاهی تحقیقات تجربی و آزمایشگاهی بسیاری بر روی انتقال حرارت به سیال فوق بحرانی انجام شده است .

در بعضی از مقالات از آب بعنوان سیال استفاده شده و در تعدادی نیز از co2 استفاده شده است .

در اینجا نیز ما به تعدادی از مقالات که از co2 به عنوان سیال استفاده کرده اند اشاره خواهیم نمود .

زیرا از co2 جهت مطالعه رفتار انتقال حرارت استفاده وسیعی شده است .

بعضی از نتایج که از co2 بدست آمده بودند به خوبی به آب تعمیم داده شدند.

اگر چه تعداد زیادی نیز مقاله وجود دارد که در مورد رفتار کرایو جنس‌های (کارهای نجیب) فوق بحرانی است ، ولی در اینجا در مورد آنجا بحثی نخواهد شد .

جدول 2-2 : تحقیقات آزمایشگاهی منتخب جدول (2-2) تعدادی از تحقیقات و مطالعات آزمایشگاهی و تجربی که بر روی آب فوق بحرانی و دی اکسید کربن فوق بحرانی انجام شده است را نشان می دهد .

همانطور که دیده می شود مطالعات آزمایشگاهی از دهه 1950 میلادی شروع شده است .

تحقیقات و مطالعات آزمایشگاهی دیکینسون ] [ ، آکرمان ] [ ، یاماگاتا ] [ ، و گریم ] [ ، اصولاً مربوط به طراحی نیروگاههای فسیلی با فشار فوق بحرانی می باشد .

در این آزمایشها قطر لوله مورد استفاده از 5/7 میلیمتر تا 24 میلیمتر است .

در دمای دیواره زیر بین داده‌های دیکینسون ] [ و معادله دیتوس - بولتر توافق خوبی بدست آمد .

در دمای دیواره بین اختلاف زیادی بین این دو حاصل شد .

در شرایط آزمایشگاهی دومین و دیکیسون اخلال انتقال حرارت دیده نشد .

در حالی که در آزمایش یاماگاتا ] [ ، آکرمان ] [ اخلال انتقال حرارت اتفاق افتاد .

یاماگاتا ] [ نشان داد که با افزایش شار حرارتی در لوله های افقی بین دماهای پایین وبالای لوله تفاوت ایجاد می شود .

(شکل (2-1)) همچنین وی با آزمایش های خود نشان داد که ضریب انتقال حرارت ماکزیمم در زمانی که دمای دیواره کمی بزرگتر از دمای شبه بحرانی است و دمای حجمی نزدیک به دمای شبه بحرانی و کمی کوچکتر از دمای شبه بحرانی است اتفاق می افتد .

با افزایش شار حرارتی اختلاف دمای دیواره که در آن ضریب انتقال حرارت ماکزیمم می شود با دمای شبه بحرانی افزایش یافته ماکزیمم مقدار و ضریب انتقال حرارت نیز کاهش می یابد .

(شکل (2-2)) (الف) (ب) شکل (2ـ1): دمای دیواره نسبت به آنتالپی حجمی (داده‌های آزمایشگاهی یاماگاتا و همکارانش (1972)) (الف) برای جریان افقی (ب) برای جریان عمودی رو به بالا (الف) (ب) شکل (2ـ2): ضریب انتقال حرارت برای جریان افقی (داده‌های آزمایشگاهی یاماگاتا (1972)) (الف) نسبت به دمای حجمی (ب) نسبت به دمای دیواره (ب) شکل (2ـ3): مقایسه ضرایب انتقال حرارت برای جریانها در جهات گوناگون (داده‌های آزمایشگاهی یاماگاتا (1972)) (الف) در شار حرارتی کوچک (ب) در شار حرارتی بزرگ با توجه به نتایج فوق، یاماگاتا ] [ رفتار ضریب انتقال حرارت را در ارتباط با فشار و دما همانند رفتار ظرفیت گرمای ویژه دانست .

همچنین یاماگاتا ] [ با بررسی جریانها با جهات مختلف ، جریان افقی ، جریان عمودی رو به بالا ، جریان عمودی رو به پایین ، به این مطلب دست یافت که در شار حرارتی کوچک ، تفاوت محسوسی بین ضرایب انتقال حرارت در جهات مختلفی وجود ندارد .

(شکل (2-3-الف ) ) .

در حالی که با افزایش شار حرارتی و یا کاهش شار جرمی این اختلافات افزایشی می یابد (شکل (2-3- ب ).

وی این تفاوتها بین منحنی های ضرایب انتقال حرارت در شارهای حرارتی بالا( نسبت به شار جرمی ) را به اثر شناوری استناد داد .

یاماگاتا با استفاده از داده های آزمایشگاهی خود نهایتاً به این نتیجه دست یافت که در شار حرارتی پایین ( نسبت به شار جرمی ) ، انتقال حرارت در نزدیکی خط شبه بحرانی افزایش می یابد .

و در شار حرارتی بالا اخلال انتقال حرارت اتفاق می افتد .

آزمایشات یاماگاتا یکی از معروف ترین آزمایشات در زمینه انتقال حرارت به سیال فوق بحرانی می باشد به طوری که در اکثر مقالات از داده ها و نتایج وی به عنوان مرجع استفاده می شود .

آکرمان ] [ درلحظه شروع اخلال انتقال حرارت یک صدای شبیه به جوشش را شنید که بدین ترتیب وی در فشار های شبه بحرانی همانند یک پدید شبیه به بحران جوشش رفتار کرد.

داده های آزمایشگاهی مشخص کرد که شار حرارتی شبه بحرانی (CHF ) ، که در آن اخلال انتقال حرارت اتفاق می‌افتد ، با افزایش فشار ، افزایش شار جرمی و کاهش قطر لوله افزایش می یابد .

تحقیقات آزمایشگاهی بیشاپ ] [ و سونسون ] [ بر پایه طراحی راکتورهای آب سبک فوق بحرانی انجام شد .

بیشاپ ] [ در تحقیقات خود از لوله های با قطر کوچک استفاده کرده در حالی که سونسون در تحیقات خود از لوله های با قطر بزرگتر ( mm 4/9) استفاده کرده است بیشاپ اثر ورودی لوله بر انتقال حرارت را نیز مورد بحث و بررسی قرار داده است .

در آزمایشات سونسون ، اخلال انتقال حرارت دیده نشد .

با استفاده از داده های آزمایشگاهی روابط تجربی نیز بدست آمد.

دانشمندان روسی نیز آزمایشات بسیاری بر روی آب فوق بحرانی ، دی اکسید کربن فوق بحرانی و اکسیژن فوق بحرانی انجام دادند .

] [ پدیده اخلال انتقال حرارتی برای اولین بار توسط شیتسمن و همکارانش ] [ در شارهای جرمی پایین دیده شد .

در خلال آزمایشات در زمانی که دمای حجمی نزدیک به مقدار دمای شبه بحرانی شد .

نوسان فشار اتفاق افتاد .

بر پایه این آزمایشات روابط متعددی جهت تخمین ضریب انتقال حرارت ، لحظه شروع اخلال انتقال حرارت و افت فشار تحت اصطکاک بدست آمدند .

در قسمت بعد بیشتر راجع به روابط بحث خواهیم بود .

به غیر از تحقیقات آزمایشگاهی بر روی آب خالص و یا دی اکسید کربن خالص ، مطالعاتی نیز بر روی مخلوط‌ها و به خصوص مخلوط آب و اکسیژن انجام شده است .

برای مثال روجک ] [ با آزمایشات خود بر روی انتقال حرارت به مخلوط آب –اکسیژن در فشارهای فوق بحرانی به این نتیجه رسید که با افزایش غلظت اکسیژن ماکزیمم مقدار ظرفیت گرمایی ویژه و ضریب انتقال حرارت در دمای حجمی پایین‌تری اتفاق می‌افتد همچنین اکسیژن مقدار ظرفیت گرمایی ویژه و ضریب انتقال حرارت را نیز کاهش می دهد .

همچنین وی در آزمایشات خود اخلال انتقال حرارت را نیز مشاهده کرد .

التبه انتقال حرارت به مخلوط‌ها در بحث فعلی ما نمی گنجد و تنها جهت آشنایی در اینجا اشاره‌ای مختصر شد.

بدست آمده از تحقیقات آزمایشگاهی که در بالا ذکر شد را می توان به شرح ذیل خلاصه کرد: - می توان گفت در کل ، مطالعات و تحقیقات آزمایشگاهی گستره وسیع ذیل را در بر می‌گیرد.

البته این بدان معنا نیست که از تمامی مقادیر موجود در این گستره‌ها در حالتهای مختلف پارامترهای دیگر استفاده شده بلکه فقط از‌بعضی از آنها اسفاده شده است .

با مشاهده بیشتر می توان دریافت که ترکیب کدام یک از پارامترها هنوز مورد استفاده قرار نگرفته است .

اخلال انتقال حرارت تنها در شار جرمی کوچک و شار حرارتی بزرگ با شرایط دمایی از اتفاق می افتد : در شارهای حرارتی کوچک با نزدیک شدن دمای حجمی به نقطه شبه بحرانی افزایش انتقال حرارت مشاهده می شود .

تحقیقات آزمایشگاهی از لحاظ هندسی اصولاً محدود به لوله های مدور می شود .

تا کنون مقاله ای که مربوط به انتقال حرارت در فشارهای فوق بحرانی درجریان داخل کانال غیر از لوله های دوار باشد دیده نشده است .

در این تحقیقات اثرهای ویژه ای مانند اثر ورودی لوله و توزیع شار حرارتی نیر مورد مطالعه قرار گرفت است در دمای دیواره یا دمای حجمی نزدیک به دمای شبه بحرانی اختلاف زیادی بین داده های آزمایشگاهی و معادله دیتوس – بولتر بدست می آید .

روابط تجربی متعددی بر پایه داده های آزمایشگاهی بدست آمده است .

این آزمایشات برای دی اکسید کربن فوق بحرانی بدلیل فشار بحرانی و دمای بحرانی پایین تر دی اکسید کربن بسیار کم هزینه‌تر می باشد .

البته بعضی از نتایج حاصله از دی اکسید کربن در شرایط معادل به خوبی به آب تعمیم داده شده است .

کراسنوشچکوف ] [ بر اساس داده های آزمایشگاهی C O2 رابطه ای تجربی برای انتقال حرارت پیشنهاد داد که این رابطه به خوبی قابل اعمال به انتقال حرارت به آب فوق بحرانی هم بود ] [ .

مولفان متعددی آزمایشات بسیاری بر روی CO2 جهت مطالعه تأثیر پارامترهای مختلف بر انتقال حرارت ] [ و همچنین بر رفتار اخلال انتقال حرارت ] [ انجام دادند .

جهت شناخت بیشتر پدیده فیزیکی انتقال حرارت در فشارهای فوق بحرانی ، تصویر سازی جریان و همچنین اندازه گیری های جامع بیشتری در آزمایشات با دی اکسید کربن انجام شد .

]34-31 [ .با اندازه گیری پروفیل سرعت و پارامترهای آشفتگی سیال نزدیک دیواره در معرض حرارت ، مکانیزمهایی که بر انتقال حرارت تأثیر می گذاشتند مور بحث و بررسی قرار گرفتند .

2-3 – تحلیل های عددی انتقال حرارت در سیالات فوق بحرانی در لوله های دوار بوسیله کدهای برنامه نویسی CFD با هدف پیش بینی و تخمین ضریب انتقال حرارت و شناخت بهتر مکانیزم انتقال حرارت مورد مطالعه قرار گرفت.

جدول (2-3) خلاصه ای از تعدادی از کارهای عددی انجام شده تا کنون را نشان می‌‌دهد.

جدول (2-3) : مطالعات عددی منتخب درتحلیل های عددی پیچیده ترین کار مربوط به مدل کردن آشفتگی تحت فشارهای فوق بحرانی می شود .

بدلیل تغییرات بسیار زیاد خواص فیزیکی – حرارتی ( بخصوص در نزدیکی خط شبه بحرانی ) در نزدیکی دیواره در معرض حرارت اثرات شدید شناوری و شتاب وجود دارد .

قابلیت اعمال یک مدل آشفتگی مرسوم به یک چنین شرایطی اثبات نشده است .

علاوه بر این فرض یک عدد پرانتل آشفتگی ثابت در یک مدل آشفتگی ، به دلیل آنکه عدد پرانتل مولکولی به شدت تغییر می کند ( شکل 1-10) می تواند باعث ایجاد خطاهای بزرگ درنتایج عددی گردد .

در کارهای ابتدایی مدل سازی آشفتگی بوسیله راه ساده پخش گردابه ای انجام می شد .

بدین معنی که ویسکوزیته آشفتگی بوسیله معادله جبری ساده محاسبه می شد ، برای مثال دایسلر از رابطه زیر استفاده کرد : (2-1) که در آنk =0.36 وn=0.109 می باشد .

همانطور که دیده می شود یک عدد پرانتل آشفگی ثابت ( برابر با یک‌) مورد استفاده قرار گرفته است .

شیر الکار نیز از یک عبارت مشابه همانند معادله (3-1) استفاده کرد و اثر پارامترهای مختلف بر ضریب انتقال حرارت و بر اخلال انتقال حرارت را مورد بررسی و مطالعه قرار داد .

شیرالکار بر اساس نتایج عددی خود نشان داد که شروع اخلال انتقال حرارت وابسته به فشار ، شارجرمی ، قطر لوله و جهت جریان داخل کانال می باشد .

این نتایج مشخص می کنند که شروع اخلال انتقال حرارت بدلیل کاهش تنش برشی است که این کاهش نیز بدلیل کاهش چگالی و ویسکوزیته در نزدیکی دیوراه در معرض حرارت اتقاق می افتد .البته قابل ذکر است که این کاهش تنش برش بدلیل پدیده دوباره آرام شده جریان که منتج از اثر شناوری است اتفاق نمی افتد .

در بعضی ازشرایط پارامترها (.

.

,Q,p ) افزایش انتقال حرارت مشاهده می‌شود که اصولاً بدلیل افزایش درجریان قسمت میانی لوله در حالت چگالی کاهش یافته است .

هس و اشنور جهت محاسبه ویسکوزیته آشفتگی از معادله ذیل استفاده کردند : (2-2) و این معادله رابر هیدروژن و آب فوق بحرانی اعمال کردند .

با این روش بین نتایج عددی آنها و داده های آزمایشگاهی تنها یک توافق کیفی بدست آمد .

بعلاوه اشنور نشان دارد که جهت محاسبه اثر ورودی باید رفتار ویژه ناحیه جریان کوئت شناخته شود .

اگر به روش پخش گردابه ای دقت پایینی دارد ، لی این روش ساده است و نیازی به قابلیت بالای کامپیوتر ی ندارد .

حتی در زمان فعلی هنوز این روش استفاده گسترده ای بخصوص بوسلیه دانشمندان روسی ]40-38[ دارد .

دانشمندان روسی معمولاً از معادله ذیل جهت تعیین ویسکوزیته آشفتگی استفاده می کردند .

(2ـ3) که در آن: (2-4) علی رغم دقت پایین این روش ، این تحقیقات اطلاعات کیفی مناسب و مفیدی جهت درک بهتر مکانیزم انتقال حرارت ارائه دادند .

در سالهای اخیر با پیشرفت قابلیت های کامپیوترهای ، در بیشتر مطالعات عددی از مدلهای آشفتگی استفاده گردیده است.

با توجه به تغییر تند و تیز خواص در نزدیکی دیواره در معرض حرارت یک ساختار شبکه‌ای ریز عددی مورد استفاده قرار می‌گیرد .

بنابراین مدلهای آشفتگی با رینولدز کوچک به مدل های با رینولدز بزرگ ترجیح داده شدند .

درهردوی مطالعات رنز ] [ و کوشیزوکا ] [ مدل رینولدز کوچک جونر – لاندر ] [ استفاده شده است .

رنز جهت محاسبه اثر گرانش یک عبارت دیگر را به مدل آشفتگی اضافه کرد .

نتایج وی نشان می‌دهد که افزایش انتقال حرارت درنزدیکی خط شبه بحرانی اصولاً به دلیل افزایش ظرفیت گرمایی ویژه می‌باشد .

در شارهای حرارتی بالا ، در لوله‌های عمودی و جریان رو به بالا اخلال انتقال حرارت در گستره طولی وسیعی اتفاق می‌افتد.

افزایش شارجرمی باعث کوچک تر شدن ناحیه اخلال می شود ، ولی در همین ناحیه کوچک کاهش انتقال حرارت شدید تر و تیز تر می شود .

شار حرارتی بالاتر باعث ایجاد ناحیه اخلال بزرگتر و کاهش شدیدتر ضریب انتقال حرارت می‌گردد .

همچنین وی نشان داد که اخلال انتقال حرارت به دو دلیل تغییر ساختار آشفتگی وابسته به گرانش در نزدیکی دیواره و اثر دمپینگ آشفتگی بدلیل شتاب حاصل می‌شود.

از لحاظ کیفی ، توافق نسبتاً خوبی بین نتایج عددی وی و داده های آزمایشگاهی بدست می آمد .

ولی از لحاظ کمی ، اختلاف زیادی بین نتایج عددی و داده های آزمایشگاهی وجود دارد .

یکی از دلایل این اختلاف ، شبیه سازی نادرست اثر دمپنیگ آشفتگی است که بواسطه شتاب بوجود می آید .